淺談高寒地區太陽能集成沼氣系統設計

李銀輪+袁嬌+蔡詠兵

摘 要：沼氣是一種利用生物質發酵產生的清潔能源，沼氣發電已廣泛地應用于中國的農村。本文以高寒地區冬季環境條件為依據，設計了一套適用于該地區冬季氣溫條件下的太陽能集成沼氣系統。

關鍵詞：高寒地區；沼氣系統；太陽能；系統設計

溫度是影響生物質厭氧消化過程的重要因素，一般在高寒地區很難獲得合適的溫度條件，使用電、石油給沼氣池加熱，使其保持在理想的溫度是非常不經濟的。高寒地區有充足的太陽能資源，我們可以利用太陽能熱水器將太陽的輻射熱量收集起來，加熱熱水，并以熱水為媒介將熱量傳遞給沼氣池，這樣，沼氣池可獲得一種合適的穩定溫度來生產沼氣。為此本項目設計了一種新型沼氣及太陽能綜合利用系統；將光熱技術與沼氣技術綜合利用，通過廉價單片機和傳感器組成自動控制系統對沼氣的發酵參數進行控制，使沼液始終保持在穩定的參數，光熱技術組成的熱水循環系統為沼氣池增溫、保溫，提高沼氣的產氣率和可再生能源利用率；能很好的解決北方冬季產氣問題。

1 太陽能加熱恒溫系統的組成

本系統設計首先確定沼氣池的容積并對池體結構進行優化設計，為減少冬季罐體熱損失需要在發酵罐外部附加保溫層保溫，最后合理配置太陽能集熱系統，并實現系統的自動控制。

太陽能加熱恒溫系統的結構示意圖如圖l所示。本系統主要由太陽能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動控制系統（溫度傳感器、交流觸電器、溫控儀和電磁閥等）、循環泵和其它輔助部件組成。其功能是為中溫發酵的沼氣反應罐進行加熱。

當反應罐內的溫度小于設定溫度時，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開啟循環泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經反應罐中的螺旋管式換熱器進行循環，對液料進行加熱，提升反應罐內的溫度；當反應罐內的溫度達到設定溫度時，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關閉循環泵，循環終止。熱水緩沖器的主要功能是防止溫度過高，將進入螺旋管中的溫度控制在60℃±2℃。

2 厭氧發酵罐尺寸的設計

發酵料液處理量：40t/d，且料液為牲畜糞發酵料液

發酵料液濃度：8%

發酵周期：20d

發酵溫度：25℃～35℃

查資料可知，牲畜糞便中干物質含量與密度有顯著關系，糞便中干物質（DM（f））和密度（SG）的回歸方程為

DM（f）=1066.152SG-1064.541（R2=0.835，S.E（b）=108.85，P<0.001）

式中：DM（f）—糞中干物質含量，%

SG—糞便密度，g/cm3

已知DM（f）=8%，帶入上式得

8%=1066.152SG-1064.541，

計算得

g/cm3= kg/m3

查資料知：發酵罐有效容積=每天原料量÷發酵濃度÷發酵料液密度×原料適當的發酵時間

發酵罐容積單位為L或m3，原料量的單位為kg/d；濃度為%；料液密度單位為kg/m3或g/L；時間為d。

已知料液的進料量為40t/d，其濃度為8%，密度：ρ=998.6 kg/cm3，適當發酵時間為20d，所以，

發酵罐有效容積 m3

因為料液按罐體內部容積的80%填加，所以，發酵罐的容積

m3

在罐體容積一定，罐體材料傳熱系數一定的情況下，將圓柱體體積公式代入圓柱體面積公式，然后對面積公式求導，即可求得面積公式的極值點，此點即為體積一定時表面積最小的點。采用此方法設計發酵罐罐體尺寸，可以使發酵罐罐體表面積最小，從而達到減少熱損，減少罐體成本以及減少太陽能集熱器投資的目的。

式中：V—發酵罐容積，m3：

S—發酵罐內表面積.m2；

R—圓柱體半徑，m；

h—圓柱體的高，m。

面積對半徑求導得： S=2πh+4πR

根據上述的優化方法得，h=2R，所以，V=πR2×2R，

Di=2R=10.8m

H=2R=10.8m

3 罐體保溫層設計

本裝置在冬季條件下運行，必須降低罐體散熱損失，應該給發酵罐加上保溫層。保溫結構由絕熱層和保護層兩部分構成：絕熱層主要由導熱系數小于O.2W/（m·℃）的絕熱材料組成，用于增大熱阻，降低熱損；保護層主要由一些法向反射率低的薄層金屬構成，用于保護絕熱材料，同時防火、防水、防潮和起到美觀作用。保護層一般緊貼絕熱層安裝。

本裝置采用100mm（δ2）厚的擠塑聚苯乙烯泡沫板進行外保溫處理。擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）是以聚苯乙烯樹脂為原料，經由特殊工藝連續擠出發泡成型的硬質板材，其內部為獨立的密閉式氣泡結構，是一種具有高抗壓、不吸水、防潮、不透氣、輕質、耐腐蝕、使用壽命長、導熱系數低等優異性能的環保型保溫材料。擠塑板具有連續均勻的表層及閉孔式蜂窩結構，這些蜂窩結構的互聯壁有一致的厚度，泡孔間沒有任何空隙。這種結構使擠塑板在吸水率、蒸汽滲透系數以及導熱系數等方面均低于其它的板狀保溫材料，同時抗壓強度卻很高，因此具有優越的保溫隔熱性能，良好的抗水性能和高抗壓性能。材料導熱系數較低，導熱系數為λ2=O.028 W/（m·℃）。保溫層外部采用1.00mm厚的薄鐵板進行固定。

結語

農村太陽能、生物質能非常豐富，本研究充分利用農村現有資源，有效的解決了農村能源問題，環境問題，促進農村經濟的和諧發展。設計的系統將太陽能、沼氣供熱系統聯合運用，提高了熱能利用效率、促進能源產業和循環經濟的發展，而且太陽能、沼氣供熱系統產生廢物廢水有極大的農用價值，既環保節能又降低了生態環境污染而且加大了能源利用率。

參考文獻：

[1]齊福龍. 寒冷地區戶用沼氣池太陽能增溫系統工藝設計[D].吉林農業大學，2013.

項目資助：青海省西寧市科學技術局，項目編號2014-T-19